第5章 粉末冶金成形.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章 粉末冶金成形,粉末冶金材料：用粉末冶金方法制造的材料,常用的粉末冶金材料,(P36),硬质合金：,以高硬度、难熔的金属碳化物（,WC,、,TiC,等）粉末为硬质,点，加入,Co,、,Mo,或,Ni,等作为粘结剂。,用于：,刃具,、,冷作模具,、,量具,和,不受冲击和振动的高耐磨零件,。,(2),烧结减摩材料：,铁,+,石墨、青铜,+,石墨,工作时要求减少摩擦的材料：,含油轴承,含油轴承特别适宜：,不能经常加油,的场合。,(3),烧结摩擦材料：,基体铁、铜,+,摩擦组元石棉,、,AL,2,O,3,+,润滑剂石墨（,MoS,2,）,能满足摩擦材料的性能要求,用于：机器上的,制动带,和,离合器片,等。,(4),烧结钢：,以碳钢或合金钢粉末为主并用粉末冶金法制成的材料,用于：制造,电钻齿轮和油泵齿轮,等,粉末冶金是,制取金属粉末,并通过,成形,和,烧结,等工艺将金属粉末（或与非金属粉末）的混合物制成制品的加工方法。,特 点,既可以制取用,普通熔炼方法难以制取的特殊材料,，又可以制造各种,精密的机械零件,省工省料,模具和金属粉末成本较高,批量小时或制品尺寸过大时不宜采用,粉末冶金成形,5.1,粉末冶金基础,5.1.1,粉末的化学成分及性能,粉末,通常指尺寸小于,1mm,的离散颗粒的集合体，颗粒尺寸一般以微米（,m,）,或纳米（,nm,）,计量,。,1,粉末的化学成分,常用的金属粉末有,铁、铜、铝等及其合金,的粉末,杂质和气体的含量一般不超过,1%,2%,颗粒形状,球状、粒状、片状和针状,粒度,单个粉末颗粒的线性尺寸,用筛分法等测量,粒度分布,按粒度不同分为若干级，每一级粉末,（按质量、数量或体积）所占的百分比。,比表面积,单位质量粉末的总表面积，可算出颗粒的平均尺寸,2,粉末的物理性能,3,粉末的,工艺性能,流动性,：,粉末的流动能力，,用一定质量的粉末在规定条,件下从,标准漏斗中流出所需的时间,来表示。,球形或接,近球形的颗粒及较宽的粒度分布，流动性。,松装密度,：,在,规定条件下粉末自由填充单位容积的重量,。,密度较高的粉末、球形或接近球形的颗粒、,较粗的粒度或较宽的粒度分布，松装密度,压缩性,：,在加压条件下粉末,被压缩的程度,（,达到所需,密度而所需的压力,/,已知压力下得到的密度值,),提高压制压力或松装密度、减小压制速度或粉末 颗粒的强度，压缩性,压坯的密度,。,成形性,：,粉末被压缩,成一定形状并在后续加工中保持这种,形状的能力,。在一定压力下获得的压坯强度越高，,成形性,5.1.2,粉末冶金的机理,1,压制的机理,压制,是在模具或其它容器中，在外力作用下，将粉末紧实成具有预定,形状和尺寸的工艺过程。,压缩过程中，随着粉末的移动和变形，较大的空隙被填充，颗粒表面的氧化膜被破碎，接触面积增大，使原子间产生吸引力且颗粒间的机械楔合作用增强，,从而形成具有一定密度和强度的压坯。,图,5-1,粉末压制过程,a),装粉,b),压制开始,c),压制结束,1,下模冲,2,阴模,3,上模冲,2,烧结的机理,烧结：粉末或压坯在,低于主要组分熔点的温度下的热处理,。,目的：,通过颗粒间的冶金结合以提高其强度,。,温度升高,(1),水和有机物的蒸发或挥发,(2),吸附气体的排除,(3),应力的消除以及粉末颗粒表面氧化物的还原,(4),粉末表层原子间的相互扩散和塑性流动,(5),颗粒间接触面的增大，再结晶和晶粒长大固相的熔解和重结晶,以上各过程往往相互重叠，相互影响,5.2,粉末冶金工艺,金属粉末的制取,预处理,坯料的成形,烧结后处理,5.2.1,粉末的制取,机械法和物理化学法,两大类,1,机械法,用机械力将,原材料粉碎,而化学成分基本不发生变化的工艺过程,。,球磨法,：,用于脆性材料及合金,研磨法,：,用于金属丝或小块边 角料,雾化法,：,用于熔点较低的金属,a),高速气流雾化,b),离心雾化,c),旋转电极雾化,2,物理化学法,借助物理或化学作用，改变物料的化学成分或聚集状态而获取粉末的方法。,还原法,：,用,还原剂还原金属氧化物或盐类，使其成为金属粉末,的方法，最常用，工艺简便、成本较低，适用于由金属氧化物或卤族化合物制粉。,电解法,：,在,溶液或熔盐中通入直流电，使金属离子电解析出成为金属粉末,的方法。可制得高纯度粉末，但成本较高，适用于从金属盐类中制取粉末,热离解法,：,将,金属与,CO,、,H,2,或,Hg,作用，生成化合物或汞齐（即汞合金），再加热使其分解出,CO,、,H,2,或,Hg,，,从而制得金属粉末的方法。用于能与,CO,、,H,2,或,Hg,作用生成化合物或汞齐的金属,。,5.2.2,粉末的预处理,1,分级,将,粉末按粒度分成若干级,的过程。,使配料时易于控制粉末的粒度和粒度分布，以适应成形工艺的要求。,2,混合,将,两种或两种以上不同成分的粉末均匀掺合的过程,通过混合可获得所需的组分,。,为提高粉料的成形性能，常需加入某些,添加剂,:,用于提高压坯强度或防止粉末成分偏析的,增塑剂,，用于减少颗粒间及压坯与模壁间摩擦的,润滑剂,。,3,制粒,为改善粉末流动性而使较,细颗粒团聚成粗粉团粒,的工艺。,5.2.3,成形,将粉末转变成具有所需形状的凝聚体的过程,1,模压,通过,模冲加压使刚性封闭模中,的粉末密实成形,单向压制,：,模具简单，操作方便，生产效率高，但制品密度不均匀，适于,压制高度或厚度较小的制品。,双向压制,：,压坯密度较单向压制均匀，适于压制,高度或厚度较大的制品,浮动模压制,：,浮动模压制 压坯密度较均匀，适于,压制 高度或厚度较大的制品。,单向压制,双向压制,浮动模压制,2,粉末轧制,将粉末引入一对,旋转轧辊之间,使其压实成连续带坯的方法。,适用于生产多孔材料、摩擦材料、复合材料和硬质合金等的板材及带材。,3,挤压成形,将置于挤压筒内的粉末、压坯或烧结体通过,模孔,压出的成形方法,设备简单、生产率高，可以获得沿长度方向密度均匀的制品。,用于生产截面较简单的条、棒和螺旋形条、棒（如麻花钻）,图,5-5,粉末挤压过程,a),装粉,b),挤压,1,口模,2,挤压筒,3,料斗,4,凸模,5,制品,4,等静压制,对,粉末（或压坯）表面或对装粉末（或压坯）的软膜表面施以各向大致相等,的压力的压制方法,(1),冷等静压制,：,在,室温下,的等静压,制，压力传递媒介通常为,液体,冷等静压制压坯密度较高，较均匀，力学性能较好，形状可较复杂，尺寸可较大,.,用于管材、棒材和大型制品的生产。,(2),热等静压制,：,高温下,的等静压制,同时进行压制和烧结,，压制压力和烧结温度均低于冷等静压制，能耗较低，生产效率较高；制品密度高且均匀，晶粒细小，力学性能较高，形状和尺寸不受限制；但投资大。,用于,粉末高速钢，难熔金属，高温合金和金属陶瓷等制品的生产,图,5-6,冷等静压制原理,1,软膜,2,粉末,5,松装烧结成形,粉末,未经压制,直接进行的烧结,。,可用于多孔材料的生产,6,粉浆浇注,将粉末中加入悬浮剂、水等并调成,粉浆,，再,注入石膏模内,，利用石膏模吸取水分使之,干燥后成形,。,粉浆浇注设备简单、成本低，但生产效率低，,适于成形形状复杂的大型制品,用于生产硬质合金、高温合金等制品,。,7,爆炸成形,借助,爆炸波的高能量使粉末固结,的成形方法。,可,加工普通压制和烧结工艺难以成形,的材料，如,难熔金属、高合金材料,等，且成形密度接近于理论密度。还可压制普通压力机无法压制的,大型压坯,。,5.2.4,烧结,按一定的规范加热到规定高温并保温一段时间，使压坯获得一定物理与力学性能的工序。,1,连续烧结和间歇烧结,连续烧结,：,待烧结材料连续地或平稳、分段地通过具有脱腊、预热、烧结或冷却区段的烧结炉进行烧结的方式。,生产效率高，,适用于大批、大量生产,(2),间歇烧结,：,在炉内分批烧结零件的方式。,通过对炉温控制进行所需的预热，加热及冷却循环,生产效率较低,，,适用于单件、小批生产,2,固相烧结和液相烧结,固相烧结,：,烧结速度较慢，制品强度较低,(2),液相烧结,：,烧结速度较快，制品强度较高，用于具有特殊性能的制品如硬质合金、金属陶瓷等,3,影响粉末制品烧结质量的因素,粉末制品的烧结质量取决于,烧结温度、烧结时间和烧结气氛,等因素。,(1),烧结温度和时间,：,烧结温度过高或或过低，时间过长或过短，都会使产品性能下降,(2),烧结气氛,：,烧结时通常采用,还原性气氛，以防压坯烧损并可使表面氧化物还原,。对于,活性金属或难熔金属,还可采用,真空烧结。,5.2.5,后处理,根据产品的具体要求,，可对,烧结后的压坯进一步处理,。,常用的后处理方法,复压、浸渍、热处理、表面处理,等。还可通过,锻压、焊接、切削加工、特种加工,等方法进一步改变烧结体的形状或提高精度，以满足零件的最终要求。,5.3,粉末冶金零件结构的工艺性,1,尽量采用简单、对称的形状，避免截面变化过大以及窄槽、球面等，以利于制模和压实,粉末冶金材料最常用的成形方法是在,刚性封闭模具,中将金属,粉末压缩成形。,模具成本较高、,粉末流动性较差且受摩擦力,压坯密度,低且分布不均匀，强度不高，薄壁、细长形和沿压制方向呈变,截面的制品,难以成形。,不合理 合,理,不合理 合理,2,避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹,3,避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减少余块,4,避免沿压制方向截面积渐增，以利压实。各壁的交接处应采用圆角过渡，以利于压实及避免应力集中,不合理 合理,不合理 合理,本章小结,常用的粉末冶金材料的名称及用途,（书,P36,）,:,硬质合金、烧结减摩材料、烧结摩擦材料、烧结钢,粉末冶金零件结构的工艺性：错误的图会改正,（书,P198,）,粉末冶金工艺过程,（书,P193,）,：,金属粉末的制取,预处理,（坯料的）成形,烧结,后处理等,（坯料的）成形、烧结,是粉末冶金制品成形的重要工序,粉末冶金制品的后处理方法,（书,P198,）,：,复压、浸渍、热处理、表面处理,粉末冶金制品坯料成形方法,（书,P194,）：,模压（单向、双向、浮动）、粉末轧制、挤压成形、等静压制等,5.1.2,粉末冶金的机理,1,压制的机理,压制,是在模具或其它容器中，在外力作用下，将粉末紧实成具有预定,形状和尺寸的工艺过程。,压缩过程中，从而形成具有一定密度和强度的压坯。随着粉末的移动和变形，较大的空隙被填充，颗粒表面的氧化膜被破碎，接触面积增大，使原子间产生吸引力且颗粒间的机械楔合作用增强。,2,烧结的机理,烧结是粉末或压坯在,低于主要组分熔点的温度下的热处理,。目的在于,通过颗粒间的冶金结合以提高其强度,，是粉末冶金的一个关键工序,。,水和有机物的蒸发或挥发、吸附气体的排除、应力的消除以及粉末颗粒表面氧化物的还原等，粉末表层原子间的相互扩散和塑性流动。还会产生再结晶和晶粒长大，有时还会出现固相的熔解和重结晶,以上各过程往往相互重叠，相互影响,5.2,粉末冶金工艺,金属粉末的制取,预处理,坯料的成形,烧结,后处理等,5.2.1,粉末的制取,机械法和物理化学法,两大类,1,机械法,用机械力将,原材料粉碎,而化学成分基本不发生变化的工艺过程,。,球磨法,：,用于脆性材料及合金,研磨法,：,用于金属丝或小块边 角料,雾化法,：,用于熔点较低的金属,a),高速气流雾化,b),离心雾化,c),旋转电极雾化,2,物理化学法,借助物理或化学作用，改变物料的化学成分或聚集状态而获取粉末的方法。,还原法,：,用还原剂还原金属氧化物或盐类，使其成为金属粉末的方法，最常用，工艺简便、成本较低，适用于由金属氧化物或卤族化合物制粉。,电解法,：,在溶液或熔盐中通入直流电，使金属离子电解析出成为金属粉末的方法。可制得高纯度粉末，但成本较高，适用于从金属盐类中制取粉末,热离解法,：,将金属与,CO,、,H,2,或,Hg,作用，生成化合物或汞齐（即汞合金），再加热使其分解出,CO,、,H,2,或,Hg,，,从而制得金属粉末的方法。用于能与,CO,、,H,2,或,Hg,作用生成化合物或汞齐的金属。,5.2.2,粉末的预处理,1,分级,将粉末按粒度分成若干级的过程。,使配料时易于控制粉末的粒度和粒度分布，以适应成形工艺的要求。,2,混合,将两种或两种以上不同成分的粉末均匀掺合的过程 通过混合可获得所需的组分,。,为提高粉料的成形性能，常需加入某些,添加剂,，如用于提高压坯强度或防止粉末成分偏析的,增塑剂,，用于减少颗粒间及压坯与模壁间摩擦的,润滑剂,。,3,制粒,为改善粉末流动性而使较细颗粒团聚成粗粉团粒的工艺。,5.2.3,成形,将粉末转变成具有所需形状的凝聚体的过程,1,模压,通过模冲加压使刚性封闭模中的粉末密实成形,单向压制,：,模具简单，操作方便，生产效率高，但制品密度不均匀，适于,压制高度或厚度较小的制品。,双向压制,：,压坯密度较单向压制均匀，适于压制,高度或厚度较大的制品,浮动模压制,：,浮动模压制 压坯密度较均匀，适于,压制 高度或厚度较大的制品。,单向压制,双向压制,浮动模压制,2,粉末轧制,将粉末引入一对,旋转轧辊之间,使其压实成连续带坯的方法。,适用于生产多孔材料、摩擦材料、复合材料和硬质合金等的板材及带材。,3,挤压成形,将置于挤压筒内的粉末、压坯或烧结体通过,模孔,压出的成形方法,设备简单、生产率高，可以获得沿长度方向密度均匀的制品。,用于生产截面较简单的条、棒和螺旋形条、棒（如麻花钻）,图,5-5,粉末挤压过程,a),装粉,b),挤压,1,口模,2,挤压筒,3,料斗,4,凸模,5,制品,4,等静压制,对,粉末（或压坯）表面或对装粉末（或压坯）的软膜表面,施以,各向大致相等,的压力的压制方法,(1),冷等静压制,：,在,室温下,的等静压,制，压力传递媒介通常为,液体,冷等静压制压坯,密度较高，较均匀，力学性能较好，形状可较复杂，尺寸可较大,.,用于管材、棒材和大型制品的生产。,(2),热等静压制,：,高温下,的等静压制,同时进行压制和烧结,，压制压力和烧结温度均低于冷等静压制，,能耗较低，生产效率较高；制品密度高且均匀，晶粒细小，力学性能较高，形状和尺寸不受限制；但投资大。,用于,粉末高速钢，难熔金属，高温合金和金属陶瓷等制品的生产,图,5-6,冷等静压制原理,1,软膜,2,粉末,5,松装烧结成形,粉末未经压制有直接进行的烧结。,可用于多孔材料的生产,6,粉浆浇注,将粉末中加入悬浮剂、水等并调成,粉浆,，再,注入石膏模内,，利用石膏模吸取水分使之,干燥后成形,。,粉浆浇注设备简单、成本低，但生产效率低，,适于成形形状复杂的大型制品,用于生产硬质合金、高温合金等制品,。,7,爆炸成形,借助,爆炸波的高能量使粉末固结,的成形方法。,可,加工普通压制和烧结工艺难以成形,的材料，如,难熔金属、高合金材料,等，且成形密度接近于理论密度。还可压制普通压力机无法压制的,大型压坯,。,5.2.4,烧结,按一定的规范加热到规定高温并保温一段时间，使压坯获得一定物理与力学性能的工序。,1,连续烧结和间歇烧结,连续烧结,：,待烧结材料连续地或平稳、分段地通过具有脱腊、预热、烧结或冷却区段的烧结炉进行烧结的方式。,生产效率高，,适用于大批、大量生产,(2),间歇烧结,：,在炉内分批烧结零件的方式。,通过对炉温控制进行所需的预热，加热及冷却循环,生产效率较低,，,适用于单件、小批生产,2,固相烧结和液相烧结,固相烧结,：,烧结速度较慢，制品强度较低,(2),液相烧结,：,烧结速度较快，制品强度较高，用于具 有特殊性能的制品如硬质合金、金属陶瓷等,3,影响粉末制品烧结质量的因素,粉末制品的烧结质量取决于,烧结温度、烧结时间和烧结气氛,等因素。,(1),烧结温度和时间,：,烧结温度过高或或过低，时间过长或过短，都会使产品性能下降,(2),烧结气氛,：,烧结时通常采用,还原性气氛，以防压坯烧损并可使表面氧化物还原,。对于,活性金属或难熔金属,还可采用,真空烧结。,5.2.5,后处理,根据产品的具体要求,，可对,烧结后的压坯进一步处理,。,常用的后处理方法,复压、浸渍、热处理、表面处理,等。还可通过,锻压、焊接、切削加工、特种加工,等方法进一步改变烧结体的形状或提高精度，以满足零件的最终要求。,5.3,粉末冶金零件结构的工艺性,1,尽量采用简单、对称的形状，避免截面变化过大以及窄槽、球面等，以利于制模和压实,粉末冶金材料最常用的成形方法是在,刚性封闭模具,中将金属,粉末压缩成形。,模具成本较高、,粉末流动性较差、且受摩擦力,压坯密度,低且分布不均匀，强度不高，薄壁、细长形和沿压制方向呈变,截面的制品难以成形。,不合理 合理,不合理 合理,2,避免局部薄壁，以利于装粉压实和防止出现裂纹,3,避免侧壁上的沟槽和凹孔，以利于压实或减少余块,4,避免沿压制方向截面积渐增，以利压实。各壁的交接处应采用圆角过渡，以利于压实及避免应力集中,5.4.1,制粉方法,1,机械合金化,2,超微粉制造技术,5.4,粉末冶金技术的发展趋势,5.4.2,成形和烧结技术,1,注射成形,2,热等静压制新技术,1,）无包套热等静压制：。,2,）陶瓷颗粒固结法：,5.4.3,后处理技术,电火花加工、电子束加工、激光加工等特种加工方法以及离子氮化、离子注入、气相沉积、热喷涂等表面工程技术已用于粉末冶金制品的后处理，进一步提高了生产效率和制品质量。,